MySql 缓冲池(buffer pool) 和 写缓存(change buffer) 转

时间:2022-03-01 03:41:05

MySql 缓冲池(buffer pool) 和 写缓存(change buffer) 转

 应用系统分层架构,为了加速数据访问,会把最常访问的数据,放在缓存(cache)里,避免每次都去访问数据库。

 操作系统,会有缓冲池(buffer pool)机制,避免每次访问磁盘,以加速数据的访问。

 MySQL作为一个存储系统,同样具有缓冲池(buffer pool)机制,以避免每次查询数据都进行磁盘IO。

 

 今天,和大家聊一聊InnoDB的缓冲池。

 

InnoDB的缓冲池缓存什么?有什么用?

 缓存表数据与索引数据,把磁盘上的数据加载到缓冲池,避免每次访问都进行磁盘IO,起到加速访问的作用。

 

速度快,那为啥不把所有数据都放到缓冲池里

 凡事都具备两面性,抛开数据易失性不说,访问快速的反面是存储容量小:

  (1)缓存访问快,但容量小,数据库存储了200G数据,缓存容量可能只有64G;

  (2)内存访问快,但容量小,买一台笔记本磁盘有2T,内存可能只有16G;

 因此,只能把“最热”的数据放到“最近”的地方,以“最大限度”的降低磁盘访问。

 

如何管理与淘汰缓冲池,使得性能最大化呢?

 

在介绍具体细节之前,先介绍下“预读”的概念。

 

什么是预读?

  磁盘读写,并不是按需读取,而是按页读取,一次至少读一页数据(一般是4K),如果未来要读取的数据就在页中,就能够省去后续的磁盘IO,提高效率。

 

预读为什么有效?

  数据访问,通常都遵循“集中读写”的原则,使用一些数据,大概率会使用附近的数据,这就是所谓的“局部性原理”,它表明提前加载是有效的,确实能够减少磁盘IO。

 

按页(4K)读取,和InnoDB的缓冲池设计有啥关系?

 (1)磁盘访问按页读取能够提高性能,所以缓冲池一般也是按页缓存数据;

 (2)预读机制启示了我们,能把一些“可能要访问”的页提前加入缓冲池,避免未来的磁盘IO操作;

 

InnoDB是以什么算法,来管理这些缓冲页呢?

  最容易想到的,就是LRU(Least recently used)

画外音:memcache,OS都会用LRU来进行页置换管理,但MySQL的玩法并不一样。

 

传统的LRU是如何进行缓冲页管理?

 

最常见的玩法是,把入缓冲池的页放到LRU的头部,作为最近访问的元素,从而最晚被淘汰。这里又分两种情况:

 (1)页已经在缓冲池里,那就只做“移至”LRU头部的动作,而没有页被淘汰;

 (2)页不在缓冲池里,除了做“放入”LRU头部的动作,还要做“淘汰”LRU尾部页的动作;

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 如上图,假如管理缓冲池的LRU长度为10,缓冲了页号为1,3,5…,40,7的页。

 

 假如,接下来要访问的数据在页号为4的页中:

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 (1)页号为4的页,本来就在缓冲池里;

 (2)把页号为4的页,放到LRU的头部即可,没有页被淘汰;

画外音:为了减少数据移动,LRU一般用链表实现。

 

假如,再接下来要访问的数据在页号为50的页中:

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 (1)页号为50的页,原来不在缓冲池里;

 (2)把页号为50的页,放到LRU头部,同时淘汰尾部页号为7的页;

 

传统的LRU缓冲池算法十分直观,OS,memcache等很多软件都在用,MySQL为啥这么矫情,不能直接用呢?

 这里有两个问题:

  (1)预读失效

  (2)缓冲池污染

 

什么是预读失效?

  由于预读(Read-Ahead),提前把页放入了缓冲池,但最终MySQL并没有从页中读取数据,称为预读失效。

 

如何对预读失效进行优化?

 要优化预读失效,思路是:

  (1)让预读失败的页,停留在缓冲池LRU里的时间尽可能短;

  (2)让真正被读取的页,才挪到缓冲池LRU的头部;

 以保证,真正被读取的热数据留在缓冲池里的时间尽可能长。

 

具体方法是:

(1)将LRU分为两个部分:

  • 新生代(new sublist)

  • 老生代(old sublist)

(2)新老生代收尾相连,即:新生代的尾(tail)连接着老生代的头(head);

(3)新页(例如被预读的页)加入缓冲池时,只加入到老生代头部:

  • 如果数据真正被读取(预读成功),才会加入到新生代的头部

  • 如果数据没有被读取,则会比新生代里的“热数据页”更早被淘汰出缓冲池

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举个例子,整个缓冲池LRU如上图:

 (1)整个LRU长度是10;

 (2)前70%是新生代;

 (3)后30%是老生代;

 (4)新老生代首尾相连;

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假如有一个页号为50的新页被预读加入缓冲池:

 (1)50只会从老生代头部插入,老生代尾部(也是整体尾部)的页会被淘汰掉;

 (2)假设50这一页不会被真正读取,即预读失败,它将比新生代的数据更早淘汰出缓冲池;

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假如50这一页立刻被读取到,例如SQL访问了页内的行row数据:

 (1)它会被立刻加入到新生代的头部;

 (2)新生代的页会被挤到老生代,此时并不会有页面被真正淘汰;

 

改进版缓冲池LRU能够很好的解决“预读失败”的问题

画外音:但也不要因噎废食,因为害怕预读失败而取消预读策略,大部分情况下,局部性原理是成立的,预读是有效的。

 

新老生代改进版LRU仍然解决不了缓冲池污染的问题。

 

什么是MySQL缓冲池污染?

  当某一个SQL语句,要批量扫描大量数据时,可能导致把缓冲池的所有页都替换出去,导致大量热数据被换出,MySQL性能急剧下降,这种情况叫缓冲池污染。

 

 例如,有一个数据量较大的用户表,当执行:

  select * from user where name like "%shenjian%";

 虽然结果集可能只有少量数据,但这类like不能命中索引,必须全表扫描,就需要访问大量的页:

  (1)把页加到缓冲池(插入老生代头部);

  (2)从页里读出相关的row(插入新生代头部);

  (3)row里的name字段和字符串shenjian进行比较,如果符合条件,加入到结果集中;

  (4)…直到扫描完所有页中的所有row…

 

 如此一来,所有的数据页都会被加载到新生代的头部,但只会访问一次,真正的热数据被大量换出。

 

怎么这类扫码大量数据导致的缓冲池污染问题呢?

 MySQL缓冲池加入了一个“老生代停留时间窗口”的机制:

  (1)假设T=老生代停留时间窗口;

  (2)插入老生代头部的页,即使立刻被访问,并不会立刻放入新生代头部;

  (3)只有满足被访问”并且“在老生代停留时间”大于T,才会被放入新生代头部;

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  继续举例,假如批量数据扫描,有51,52,53,54,55等五个页面将要依次被访问。

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  如果没有“老生代停留时间窗口”的策略,这些批量被访问的页面,会换出大量热数据。

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  加入“老生代停留时间窗口”策略后,短时间内被大量加载的页,并不会立刻插入新生代头部,而是优先淘汰那些,短期内仅仅访问了一次的页。

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  而只有在老生代呆的时间足够久,停留时间大于T,才会被插入新生代头部。

 

上述原理,对应InnoDB里哪些参数?

有三个比较重要的参数。

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参数:innodb_buffer_pool_size

介绍:配置缓冲池的大小,在内存允许的情况下,DBA往往会建议调大这个参数,越多数据和索引放到内存里,数据库的性能会越好。

 

参数:innodb_old_blocks_pct

介绍:老生代占整个LRU链长度的比例,默认是37,即整个LRU中新生代与老生代长度比例是63:37。

画外音:如果把这个参数设为100,就退化为普通LRU了。

 

参数:innodb_old_blocks_time

介绍:老生代停留时间窗口,单位是毫秒,默认是1000,即同时满足“被访问”与“在老生代停留时间超过1秒”两个条件,才会被插入到新生代头部。

 

总结

(1)缓冲池(buffer pool)是一种常见的降低磁盘访问的机制;

(2)缓冲池通常以页(page)为单位缓存数据;

(3)缓冲池的常见管理算法是LRU,memcache,OS,InnoDB都使用了这种算法;

(4)InnoDB对普通LRU进行了优化:

  • 将缓冲池分为老生代和新生代,入缓冲池的页,优先进入老生代,页被访问,才进入新生代,以解决预读失效的问题

  • 页被访问,且在老生代停留时间超过配置阈值的,才进入新生代,以解决批量数据访问,大量热数据淘汰的问题

 

 写缓存(change buffer)

  对于读请求,缓冲池能够减少磁盘IO,提升性能。问题来了,那写请求呢?

情况一

  假如要修改页号为4的索引页,而这个页正好在缓冲池内。

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 如上图序号1-2:

 (1)直接修改缓冲池中的页,一次内存操作;

 (2)写入redo log,一次磁盘顺序写操作;

 这样的效率是最高的。

画外音:像写日志这种顺序写,每秒几万次没问题。

 

是否会出现一致性问题呢?

 并不会。

  (1)读取,会命中缓冲池的页;

  (2)缓冲池LRU数据淘汰,会将“脏页”刷回磁盘;

  (3)数据库异常奔溃,能够从redo log中恢复数据;

 

什么时候缓冲池中的页,会刷到磁盘上呢?

  定期刷磁盘,而不是每次刷磁盘,能够降低磁盘IO,提升MySQL的性能。

画外音:批量写,是常见的优化手段。

 

情况二

 假如要修改页号为40的索引页,而这个页正好在缓冲池内。

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此时麻烦一点,如上图需要1-3:

 (1)先把需要为40的索引页,从磁盘加载到缓冲池,一次磁盘随机读操作;

 (2)修改缓冲池中的页,一次内存操作;

 (3)写入redo log,一次磁盘顺序写操作;

 

 没有命中缓冲池的时候,至少产生一次磁盘IO,对于写多读少的业务场景,是否还有优化的空间呢?

 

 这即是InnoDB考虑的问题,又是本文将要讨论的写缓冲(change buffer)。

画外音:从名字容易看出,写缓冲是降低磁盘IO,提升数据库写性能的一种机制。

 

什么是InnoDB的写缓冲?

  在MySQL5.5之前,叫插入缓冲(insert buffer),只针对insert做了优化;现在对delete和update也有效,叫做写缓冲(change buffer)。

 

  它是一种应用在非唯一普通索引页(non-unique secondary index page)不在缓冲池中,对页进行了写操作,并不会立刻将磁盘页加载到缓冲池,而仅仅记录缓冲变更(buffer changes),等未来数据被读取时,再将数据合并(merge)恢复到缓冲池中的技术。写缓冲的目的是降低写操作的磁盘IO,提升数据库性能。

 

InnoDB加入写缓冲优化,上文“情况二”流程会有什么变化?

  假如要修改页号为40的索引页,而这个页正好在缓冲池内。

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加入写缓冲优化后,流程优化为:

 (1)在写缓冲中记录这个操作,一次内存操作;

 (2)写入redo log,一次磁盘顺序写操作;

 其性能与,这个索引页在缓冲池中,相近。

画外音:可以看到,40这一页,并没有加载到缓冲池中。

 

是否会出现一致性问题呢?

 也不会。

  (1)数据库异常奔溃,能够从redo log中恢复数据;

  (2)写缓冲不只是一个内存结构,它也会被定期刷盘到写缓冲系统表空间;

  (3)数据读取时,有另外的流程,将数据合并到缓冲池;

 

 不妨设,稍后的一个时间,有请求查询索引页40的数据。

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此时的流程如序号1-3:

  (1)载入索引页,缓冲池未命中,这次磁盘IO不可避免;

  (2)从写缓冲读取相关信息;

  (3)恢复索引页,放到缓冲池LRU里;

画外音:可以看到,40这一页,在真正被读取时,才会被加载到缓冲池中。

 

  还有一个遗漏问题,为什么写缓冲优化,仅适用于非唯一普通索引页呢?

  InnoDB里,聚集索引(clustered index)和普通索引(secondary index)的异同,《1分钟了解MyISAM与InnoDB的索引差异》有详尽的叙述,不再展开。

 

  如果索引设置了唯一(unique)属性,在进行修改操作时,InnoDB必须进行唯一性检查。也就是说,索引页即使不在缓冲池,磁盘上的页读取无法避免(否则怎么校验是否唯一?),此时就应该直接把相应的页放入缓冲池再进行修改,而不应该再整写缓冲这个幺蛾子。

 

 除了数据页被访问,还有哪些场景会触发刷写缓冲中的数据呢?

  还有这么几种情况,会刷写缓冲中的数据:

  (1)有一个后台线程,会认为数据库空闲时;

  (2)数据库缓冲池不够用时;

  (3)数据库正常关闭时;

  (4)redo log写满时;

画外音:几乎不会出现redo log写满,此时整个数据库处于无法写入的不可用状态。

 

什么业务场景,适合开启InnoDB的写缓冲机制?

 先说什么时候不适合,如上文分析,当:

  (1)数据库都是唯一索引;

  (2)或者,写入一个数据后,会立刻读取它;

 这两类场景,在写操作进行时(进行后),本来就要进行进行页读取,本来相应页面就要入缓冲池,此时写缓存反倒成了负担,增加了复杂度。

 

 什么时候适合使用写缓冲,如果:

  (1)数据库大部分是非唯一索引;

  (2)业务是写多读少,或者不是写后立刻读取;

 可以使用写缓冲,将原本每次写入都需要进行磁盘IO的SQL,优化定期批量写磁盘。

画外音:例如,账单流水业务。

 

上述原理,对应InnoDB里哪些参数?

 有两个比较重要的参数。

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参数:innodb_change_buffer_max_size

介绍:配置写缓冲的大小,占整个缓冲池的比例,默认值是25%,最大值是50%。

画外音:写多读少的业务,才需要调大这个值,读多写少的业务,25%其实也多了。

 

参数:innodb_change_buffering

介绍:配置哪些写操作启用写缓冲,可以设置成all/none/inserts/deletes等。